1　前言

近悉國務(wù)院辦公廳印發(fā)了“生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設方案”。明確指出了生態(tài)文明監測是生態(tài)環(huán)境保護的基礎，是生態(tài)文明建設的重要支撐。所以從事自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)的人們，有必要系統地學(xué)習生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統、生態(tài)文明、生態(tài)文明建設等關(guān)鍵詞相關(guān)的學(xué)科、工程技術(shù)、社會(huì )需求、經(jīng)濟價(jià)值等方面的內涵，這就像以往我們深入了解工業(yè)中被控制對象，如流程工業(yè)中塔、釜、罐、機、泵等，及相關(guān)系統一樣。只有這樣，我們才能參與到生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設之中，為生態(tài)文明建設做好服務(wù)。

2　生態(tài)文明建設

人們在物質(zhì)文明和精神文明發(fā)展的過(guò)程中，特別是在工業(yè)化和四個(gè)現代化建設過(guò)程中、在城市化的過(guò)程中，對原來(lái)純自然生態(tài)（生物的生理特性和生活習性）的研究已經(jīng)覺(jué)得很不夠了，必須要考慮自然環(huán)境所受到的干擾（人類(lèi)開(kāi)發(fā)活動(dòng)等），從而生態(tài)學(xué)（ecology）發(fā)展出城市生態(tài)學(xué)、工程生態(tài)學(xué)及人類(lèi)生態(tài)學(xué)等。

作為研究生物與環(huán)境相關(guān)關(guān)系的生態(tài)學(xué)，20世紀中葉得到了發(fā)展。我國在1956年制定的12年科學(xué)發(fā)展規劃中，生態(tài)環(huán)境和高能物理、計算機、自動(dòng)化等學(xué)科并列，50年代派出的留蘇學(xué)生中，就有這方面的專(zhuān)業(yè)人士。

我國自動(dòng)化學(xué)科和生態(tài)學(xué)專(zhuān)家們對人口控制方面的研究和實(shí)踐受到了國際好評。聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì )以來(lái)，我國在可持續發(fā)展的理論和實(shí)踐方面，一直是走在世界的前列。

20世紀30～40年代，Tansley提出了生態(tài)系統（ecosystem）概念，為認識和解決當代的生態(tài)問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了理論準備。生態(tài)系統由生產(chǎn)者（如綠色植物）、消費者（如動(dòng)物）、分解者（如微生物）和非生命物質(zhì)（無(wú)機界）四部分組成。其功能是物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。隨著(zhù)人口、資源、環(huán)境等全球性問(wèn)題的激化，生態(tài)系統的非線(xiàn)性思維方法的進(jìn)入，出現了舉世聞名的國際生物學(xué)計劃（IBP）和人與生物圈計劃（MAB），以及防治荒漠化等一系列計劃，使生態(tài)系統工程學(xué)及各種半人工生態(tài)系統、人工生態(tài)系統及復合生態(tài)系統得到發(fā)展。有鑒于歐、美、日等發(fā)達國家，在經(jīng)濟發(fā)展過(guò)程中生態(tài)環(huán)境資源等方面的教訓，我們不能走“先發(fā)展、后治理”的老路，所以要進(jìn)行生態(tài)文明建設。文明者，乃當時(shí)先進(jìn)的文化也，或者說(shuō)是具有當代水平的科學(xué)和文化，是社會(huì )發(fā)展到較高階段的行為準則和物質(zhì)財富、精神財富的綜合體，所以我們當下要以人為本，要按法律法規及標準辦監測網(wǎng)絡(luò )，要公平、公正、公開(kāi)，這就是我們生態(tài)系統建設的要求，這樣做就算是文明了。

生態(tài)文明建設涉及眾多行業(yè)，與監測網(wǎng)絡(luò )有關(guān)的，如美國長(cháng)期生態(tài)網(wǎng)絡(luò )（LTER）、英國環(huán)境變化監測網(wǎng)絡(luò )（ECN）、德國陸地生態(tài)學(xué)研究網(wǎng)絡(luò )（TERN）等，及亞洲—太平洋地區全球變化研究網(wǎng)絡(luò )（APN）、亞洲農林復合系統研究網(wǎng)絡(luò )（APAN）等， 還有全球性的全球環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )、全球海洋觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )（GOOS）、全球陸地觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )（GTOS）等，還有全球分析、研究和培訓系統（START）等。在我國1988年開(kāi)始籌建的中國科學(xué)院生態(tài)系統研究網(wǎng)絡(luò )（CERN）建設，就屬于這一類(lèi)，對應基礎臺站包括農業(yè)、森林、草原、湖泊、海洋的29個(gè)基本臺站，新建的水分、土壤、大氣和生物5個(gè)學(xué)科分中心及1個(gè)綜合研究中心，還有各行業(yè)的定位研究站，如林業(yè)部門(mén)的11個(gè)森林定位研究觀(guān)測站。其他建設項目或已運行的項目下面會(huì )談到，雖然這些文明建設項目有一定的學(xué)術(shù)目的，但當下所指的生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設方案應該涵蓋它，或者作頂層設計時(shí)要有它們一席之地。

3　生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設

根據建設方案要求：

（1）到2020年，全國生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )基本實(shí)現環(huán)境質(zhì)量、重點(diǎn)污染源、生態(tài)狀況監測全覆蓋，各級各類(lèi)監測數據系統互聯(lián)共享，監測預報預警、信息化能力和保障水平明顯提升，監測與監管協(xié)同聯(lián)動(dòng)，初步建成陸海統籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )，使生態(tài)環(huán)境監測能力與生態(tài)文明建設要求相適應。

（2）全面設點(diǎn)完善生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )。關(guān)于環(huán)境質(zhì)量監測點(diǎn)位，建設涵蓋大氣、水、土壤、噪聲、輻射等要素，建立統一的環(huán)境質(zhì)量監測網(wǎng)絡(luò )；健全重點(diǎn)污染源監測制度，落實(shí)信息公開(kāi)的法定責任，國家重點(diǎn)監控排污單位建設穩定運行的污染物排放在線(xiàn)監測系統；加強生態(tài)監測系統建設。建立天地一體化的生態(tài)遙感監測系統，研制發(fā)射系列化的大氣環(huán)境監測衛星和后續星并組網(wǎng)運行，加強無(wú)人機遙感監測和地面生態(tài)監測，實(shí)現對重要生態(tài)功能區、自然保護區等大范圍、全天候監測。

（3）全國聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現生態(tài)環(huán)境監測信息集成共享。建立生態(tài)環(huán)境監測數據集成共享機制，環(huán)保、國土資源、住房城鄉建設、交通運輸、水利、農業(yè)、衛生、林業(yè)、氣象、海洋等部門(mén)和單位獲取的環(huán)境質(zhì)量、污染源、生態(tài)狀態(tài)監測數據要實(shí)現有效集成、互聯(lián)共享，建立重點(diǎn)污染源監測數據發(fā)布機制，重點(diǎn)排污單位要按照環(huán)境保護部門(mén)要求將自行監測結果及時(shí)上傳；構建生態(tài)環(huán)境監測大數據平臺，開(kāi)展大數據并聯(lián)分析，提供決策、管理和執法相關(guān)數據支持；統一發(fā)布生態(tài)環(huán)境監測信息，建立發(fā)布機制，規范發(fā)布內容、流程、權限、渠道。

（4）自動(dòng)預警，科學(xué)引導環(huán)境管理與風(fēng)險防范。

（5）依法追責，建立生態(tài)環(huán)境監測與監管聯(lián)動(dòng)機制。

（6）健全生態(tài)環(huán)境監測制度與保障體系。除法律法規、標準和監測事權、監測市場(chǎng)外，還提出強化監測科技創(chuàng )新等能力，如研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的環(huán)境監測儀器設備，推進(jìn)監測儀器設備國產(chǎn)化，又如積極開(kāi)展國際合作，借鑒監測科技先進(jìn)經(jīng)驗，提升我國技術(shù)創(chuàng )新能力，還具體指出提高樣品采集、實(shí)驗室測試分析及現場(chǎng)快速分析測試能力等。

對生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設具體方案，筆者提出如下參考意見(jiàn)：

對多年來(lái)已建成并運行的基層站點(diǎn)，要盡量使用并升級換代。

盡量采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，應盡量按照行政區劃，實(shí)行網(wǎng)格化，對省、地、區，應打包提供標準設計和裝備，實(shí)行政府采購，規范化建設驗收，按COTS（Commercial-off-the-shefftechnology）原則選擇硬件和軟件。

采用3S技術(shù)（遙感RS、地理信息系統GIS、全球定位系統GPS），其中GIS和GPS更應普遍采用，使其形成的時(shí)間標簽、地理標簽在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的所有信息上都得到通行。要讓遙感技術(shù)結合無(wú)人機技術(shù)在土地資源、生物資源（農作物）、水資源、礦產(chǎn)資源等的調整勘測、動(dòng)態(tài)監測、開(kāi)發(fā)利用和保護等方面都見(jiàn)到實(shí)效并普及。

生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )中運行的各種數據，或稱(chēng)信息類(lèi)型，具有多樣性。由上文已經(jīng)知道有不只一般的站點(diǎn)的物理量或稱(chēng)連續量如溫度、壓力、流量及濁度、粒度、物理分析等數值；還有化學(xué)量或稱(chēng)分析量，有的是光譜、色譜、質(zhì)譜，轉化后才能成為數值及化學(xué)分子式；有的是圖像、文字、表格、視頻等。獲取信息的取樣方式也是多種多樣的，固定地點(diǎn)的自動(dòng)連續采樣當然是主要內容形式；但手工方式采樣、實(shí)驗室分析，數值手工錄入計算機的方式也很常見(jiàn)；便攜式分析儀、車(chē)載式測控設備也是常用的設備。所以對網(wǎng)絡(luò )提出了無(wú)線(xiàn)傳輸、多媒體傳輸等各方面要求，而且對網(wǎng)絡(luò )應用層配套軟件要求較高。

對大數據平臺與云計算等應該同時(shí)給予充分重視。對于數據庫，應該實(shí)時(shí)數據庫和關(guān)系數據庫并重。硬件、軟件均應采用模塊化結構，應用軟件要采用“組態(tài)”方式操作，便于非計算機專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參與。

在監測的同時(shí)，不少站點(diǎn)也對監控或污染治理等方面有所要求，這對監測取得數據也是很有利的，所以應該鼓勵。下面結合固定源排放廢氣連續監測等展開(kāi)敘述，希望這樣可為生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設，提供感性認識。

4　廢氣和水質(zhì)等的監測現狀

4.1　固定源排放廢氣連續監測

由于我國對固定源排放廢氣中的污染物實(shí)行濃度控制和總量控制，所以近十年來(lái)，我國安裝了1.8萬(wàn)套連續排放監測系統CEMS（Continuous Emission Monitoring System），具體標準有HJ/T75固定污染源煙氣排放連續監測技術(shù)規范、HJ/T76固定污染源煙氣排放連續監測系統技術(shù)要求及監測方法、HJ/T212污染源在線(xiàn)自動(dòng)監控（監測）系統傳輸標準，具體監測二氧化硫、氮氧化物和顆粒物，為污染物排放總量考核、監督執法、排污申報核定等工作提供基礎數據，提高環(huán)境監測和管理水平，也為流程工業(yè)企業(yè)，決定本企業(yè)的鍋爐、加熱爐等燃燒控制等工藝方面的對策提供幫助。目前我國這方面的制造廠(chǎng)商有近100家，已形成產(chǎn)業(yè)，還有成套工程、售后服務(wù)、為運行保駕護航的全生命周期服務(wù)能力。

生產(chǎn)數量最多的CEMS系統是完全抽取煙氣樣品，然后用非分散紅外分析儀監測SO2、NOx；其次是直接監測系統和稀釋抽取監測系統。國內生產(chǎn)廠(chǎng)和在我國有生產(chǎn)基地或通過(guò)我國適用性監測的外國公司有：完全抽取-非分散紅外法（52家，艾默生等大多數公司為紅外分析儀，聚光等3家為紫外分析儀）、直接監測紫外差分吸收法（5家）、稀釋抽取-發(fā)光法（4家）、顆粒物CEMS，流速（流量）和含濕量連續測量系統（3家）、分析儀多反射長(cháng)光程吸收池（5家）。近來(lái)國內對PM2.5監測儀需求大增，青島佳明公司等單位已進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。還有對大氣中揮發(fā)性有機物（VOCs）的監測，也受到重視。

目前還試點(diǎn)燃煤電廠(chǎng)排放煙氣中汞的連續自動(dòng)監測、超聲波流速測定儀解決低流速（≤3m/s）煙氣測定、適應寬范圍氣體濃度的測定等項技術(shù)，實(shí)現由“點(diǎn)末端監控”向“全過(guò)程監控”的轉變，協(xié)調實(shí)驗室檢測項目、便攜式儀器檢測項目等，適應新形勢下對生態(tài)文明的要求。

4.2　水質(zhì)監測系統

由于環(huán)保的要求，水質(zhì)在線(xiàn)分析儀表及系統已經(jīng)成了環(huán)保部門(mén)對轄區水質(zhì)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的主要手段，已能夠實(shí)時(shí)、連續、穩定、可靠地提供準確、快速的監測數據。作為水質(zhì)自動(dòng)監測，還要實(shí)行遠程監控，達到掌握主要流域重點(diǎn)斷面水體的水質(zhì)狀況、預警預報重大或流域性水質(zhì)污染事故、解決跨行政區域的水污染事故糾紛、監督總量控制、排放達標情況等目的。在水質(zhì)自動(dòng)監控系統網(wǎng)絡(luò )中，中心站通過(guò)衛星和電話(huà)撥號兩種通訊方式實(shí)現對子站的實(shí)時(shí)監視，托管站也可以通過(guò)電話(huà)撥號方式實(shí)現對所托管子站的實(shí)時(shí)監控。每個(gè)子站是一個(gè)獨立的水質(zhì)自動(dòng)監測系統，一般子站有一臺或多臺的多參數水質(zhì)自動(dòng)化分析儀組成，另有固定式子站和流動(dòng)式子站（拖車(chē)—監測小屋）共三種。子站分采水單元、配水單元、分析單元、控制單元、子站站房及配套設施。分析單元即水質(zhì)在線(xiàn)分析儀表，如廣州怡文環(huán)境科技有限公司的EST-WQMS整體柜式水質(zhì)自動(dòng)監測站，具有小型化、模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化的特點(diǎn)。

一般監測項目有常規五參數分析儀（水溫、pH、溶解氧DO、電導率、濁度）、常用監測項目（化學(xué)需氧量COD、高錳酸鹽指數、總有機碳TOC、氨氮總氮、總磷）、其它監測項目（氟化物、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氰化物、硫酸鹽、磷酸鹽、活性氯、生化需氧量BOD5、石油類(lèi)、酚、葉綠素、金屬離子如六價(jià)鉻等），這些項目國內分析儀生產(chǎn)廠(chǎng)有100多家。在工業(yè)用水中，軟化及除鹽水處理中，有硬度在線(xiàn)分析儀、二氧化硅在線(xiàn)分析儀；循環(huán)冷卻水處理中有濁度/懸浮物分析儀；凝結水應用中，有鈉離子分析儀等。其中鈉離子分析儀監測水汽聯(lián)合裝置化學(xué)水系統的陽(yáng)床運行，克服了實(shí)驗室分析不夠及時(shí)的缺點(diǎn)，水處理質(zhì)量提高，并可快速判斷床層是否失效。又為了防止在蒸汽冷凝水和冷卻水中滲入芳烴化合物，采用如賽默飛世爾公司的Arospector在線(xiàn)芳烴分析儀，使用脈沖紫外熒光分析法，為我們提供了解決方案。

目前國內在水質(zhì)自動(dòng)監測技術(shù)發(fā)展中，一方面對在線(xiàn)分析儀如COD、TOC、BOD、氨氮、總氮、總磷等儀表靈敏度、可靠性、新分析方法的采用及商品化程度等還有較大差距；另一方面就是遠程測控系統及形成中心站、托管站、托管子站的水質(zhì)自動(dòng)監測系統網(wǎng)絡(luò )中數據傳輸技術(shù)的發(fā)展上，還要適應通信技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現升級換代。流動(dòng)式子站應與固定式子站同樣得到發(fā)展。

原污染源排放口一般安裝COD在線(xiàn)分析儀，“十三五”期間已進(jìn)一步安裝氨氮在線(xiàn)分析儀及總磷在線(xiàn)分析儀。氨氮濃度及正磷酸鹽濃度的控制，已經(jīng)為污水處理廠(chǎng)工藝優(yōu)化立下了汗馬功勞。目前國內已有30多家企業(yè)有認證合格的相關(guān)產(chǎn)品。在2003年我國頒布的“氨氮水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求”（HJ/T101-2003）標準中，規定了地表水、工業(yè)污水和市政污水的基本電極法和分光光度法的氨氮水質(zhì)自動(dòng)分析儀的技術(shù)性能要求和性能試驗方法。

4.3　最后提醒

建設網(wǎng)絡(luò )，不要忘了基礎數據賴(lài)以立足的實(shí)驗室的建設，LIMS實(shí)驗室信息管理系統是必須受到重視的。我們要像錢(qián)學(xué)森等老前輩關(guān)注園林園藝、秸稈處理等與生態(tài)文明建設有關(guān)的事那樣，貢獻余熱。

作者簡(jiǎn)介

卞正崗（1936-），男，教授級高級工程師，1961 年畢業(yè)于清華大學(xué)電機系，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業(yè)自動(dòng)化儀表、集散系統和現場(chǎng)總線(xiàn)的研制和自動(dòng)化系統集成的工程實(shí)踐，享受政府特殊津貼，曾任北京市自動(dòng)化系統成套工程公司總工程師?，F為中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )科普工作委員會(huì )委員，曾獲得有色總公司科技進(jìn)步一等獎和國家機械總局科技進(jìn)步三等獎。

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年12月刊